一、设计摘要

集成电路设计中，数字模拟转换器（DAC）是常见的模块之一，设计了一款功能齐全的高精度数模转换器附加板，采用了MCP4726和MCP1541芯片。它具有轨到轨输出、低功耗以及EEPROM作为非易失性存储器的特点，适用于各种应用，包括失调和增益控制、VCO调谐和可编程基准电压源。本设计文档旨在设计的相关细节和设计考虑。

 采用了MCP4726数模转换器。MCP4726是Microchip的一款12位电压输出数模转换器，具有轨到轨输出、低功耗和EEPROM作为非易失性存储器的特点。该芯片可以存储DAC寄存器和配置位的值。

此外，本设计还配备了MCP1541，这是Microchip的4.096V基准电压源。MCP1541为MCP4726 DAC芯片提供了外部可选的基准电压。这使得本设计成为失调和增益控制应用、VCO调谐、可编程基准电压源等应用的理想选择。

下图为流程设计框图：scheme-it分享链接

二、DAC的基本原理

权电阻网络DAC（R-2R DAC）：

权电阻网络DAC使用一组电阻来实现数字到模拟的转换。它的基本原理是通过调整电阻的比例来控制输出电压的大小。其中，R代表一个标准电阻值，2R代表两倍的标准电阻值。根据输入的数字信号，通过开关来选择连接的电阻，从而形成不同的电阻比例，进而产生不同的输出电压。权电阻网络DAC的优点是简单、可靠，但是在高精度和高速应用中可能存在非线性和匹配误差。

T型电阻网络DAC：

T型电阻网络DAC也是一种常见的DAC实现方法。它使用T型电阻网络来实现数字到模拟的转换。T型电阻网络由一组电阻和开关组成，其中电阻的比例决定了输出电压的大小。通过控制开关的状态，可以调整电阻的连接方式，从而实现不同的电阻比例和模拟输出。T型电阻网络DAC在一些特定的应用中可以提供更好的线性度和匹配性能。

倒T型电阻网络DAC：

倒T型电阻网络DAC是T型电阻网络DAC的变种。它使用了倒T型电阻网络，其中电阻的比例与T型电阻网络相反。倒T型电阻网络DAC的基本原理和T型电阻网络DAC类似，通过控制开关的状态来调整电阻的连接方式，从而实现数字到模拟的转换。倒T型电阻网络DAC在一些应用中可以提供更好的线性度和匹配性能。

权电流型DAC（I-2R DAC）：

权电流型DAC使用一组电流源和电阻来实现数字到模拟的转换。它的基本原理是通过调整电流源的大小和电阻的比例来控制输出电压的大小。其中，I代表一个标准电流值，2I代表两倍的标准电流值。根据输入的数字信号，通过开关来选择连接的电流源和电阻，从而形成不同的电流比例，进而产生不同的输出电压。权电流型DAC在一些特定的应用中可以提供更好的线性度和匹配性能，但是需要更多的电流源和电阻，因此成本较高。

当涉及到数字到模拟转换器（DAC）的原理时，可能需要进行一些仿真来更好地理解。以下是一种可以进行原理仿真的方法：

1. 选择仿真软件：选择一款适合进行电路仿真的软件，这里我推荐硬禾自带的仿真网页，我恰好找到了一些电阻网络模型，这些软件提供了丰富的库和仿真工具，可以帮助我们建立和分析电路。这里是电路仿真页面,具体操作为电路-数字/模拟-Flash_DAC

2. 设置仿真参数：根据需要，设置仿真参数，如电源电压、输入信号等。这些参数将影响仿真结果。

3. 运行仿真：运行仿真并观察结果。仿真软件将会计算电路中各个节点的电压和电流，并显示在仿真界面上。通过观察仿真结果，可以了解电路的工作原理和输出特性。。

通过以上步骤，可以进行原理仿真，更好地理解各种DAC的工作原理和性能特点。仿真结果可以帮助我们优化电路设计，提高性能和准确度。

三、原理图和PCB设计

设计目标：

• 实现一个串行单通道DAC微消耗设计，以将数字信号转换为模拟信号。
• 保证DAC的单调性，确保输出信号与输入信号的线性关系。
• 在设计中尽量减小功耗，以提高整个系统的能效。
• 实现轨到轨电压输出，确保输出信号能够达到供电电压范围。
• 实现电复位至零伏输出，确保DAC在复位时输出为零伏特。

设计考虑 :

供电电源：选择

通过mikroBUS插座和I2C接口，DAC设计板子可以与主机MCU进行通信，提供稳定的电流。

b. 芯片选型：选择集成了低功耗的传输门设计，以减小功耗。我的基于MCP4726的，MCP4726是一款12位电压输出数模转换器，采用了Microchip的EEPROM。MCP4726采用梯形电阻架构，通过VOUT螺丝端子提供模拟输出。VOUT可以在约0V至约VCC的电压范围内摆动，而在DAC设计板中，VOUT的范围为3.3V和5V。

c. 电容：选择合适的电容大小，以平衡性能和功耗。确保DAC设计板的电源稳定性和性能，在其电源引脚处使用一个10μF的钽电容这些电容应尽可能靠近器件，并只连接到模拟电源引脚。

d. 校正电路：考虑引入校正电路来提高DAC的精度和线性度。这里具备更佳的选择性，梯形电阻DAC由软件可选的基准电压源驱动。基准电压可以在VCC和MCP1541之间选择，MCP1541是通过REF SEL跳线提供的4.096V基准电压。默认情况下，VCC处于选中状态，取决于PWR SEL跳线上的电压选择，默认设置为3.3V。

e. 输出级：设计轨到轨输出电路，以确保输出信号能够达到供电电压范围。

g. 复位电路：设计电复位电路，通过旁路电容，以确保DAC在复位时输出为零伏特，此外通过mikroBUS插座和I2C接口，I2C接口支持标准（100KHz）、快速（400KHz）或高速（3.4MHz）模式。16位数据通过I2C接口发送到DAC。此外，I2C接口还用于存储DAC寄存器和器件配置位所需的上电复位（POR）/掉电复位（BOR）值。在工作期间，内部POR/BOR电路监控电源电压（VCC），并确保在系统上电和断电事件中器件启动顺序正确。

下图为原理图：

1. 输入编码和输出电压关系：输入编码采用直接二进制表示，范围为0到255之间的任何值。理想输出电压由公式VOUT = Vref x (D / 256)计算得出，其中Vref是参考电压，D是加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值。

下图为PCB： 

四、具体的调试的目标与操作

1. 确定DAC的工作原理和输出特性：了解DAC的工作原理和输出特性是理解其单调性条件的基础。查阅MCP4726数据手册或技术规格说明书，了解其输出如何随着输入代码的变化而变化。
2. 检查DAC的输出特性曲线：查看DAC的输出特性曲线，特别是在输出代码增加时的变化趋势。确保输出曲线在增加的情况下不会出现减少的情况,并测量实际输出与理想步长之间的最大偏差来评估DNL(微分非线性)。使用示波器来进行测量
3. 进行测试和测量：使用适当的测试设备和方法，对DAC进行测试和测量。逐步增加输出代码，观察和记录DAC的输出变化。确保输出在增加的情况下不会减少。
4. 分析测试结果：根据测试结果和数据分析，确定DAC是否满足单调性条件。如果测试结果显示输出在输出代码增加时始终不会减少，那么DAC满足单调性条件

• 满量程误差：将满量程代码（FFh）加载到DAC中，测量实际输出电压与理论值之间的差异来评估满量程误差。
• 毛刺脉冲：当DAC寄存器的输入代码发生变化时，测量注入到模拟输出的能量来评估毛刺脉冲
• 最低有效位（LSB）：根据公式LSB = VREF / 2^n计算最低有效位的值，其中VREF是电源电压，n是DAC的分辨率。